Основы проектирования и моделирования вычислительных сетей

В. Н. ТАРАСОВ, Н. Ф. БАХАРЕВА  
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
И МОДЕЛИРОВАНИЯ  
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

УДК 681.324:519.8:004.421 
ББК 32.97 
Т19 
Рецензент: 
д. т. н., профессор кафедры вычислительной техники СамГТУ Орлов С. П. 
Т19 
Тарасов, В. Н. 
Основы проектирования и моделирования вычислительных сетей : 
учебное пособие / В. Н. Тарасов, Н. Ф. Бахарева. - Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2023. - 212 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1175-2 
Представлены общие сведения об известных программных продуктах, используемых в предметной области, вероятностно-временные характеристики передачи на базе непрерывных марковских моделей, основные 
результаты теории массового обслуживания, принципы создания имитационных моделей на основе дискретно-событийного моделирования и принципы топологического проектирования сетей. Приводятся примеры, демонстрирующие возможности применения рассмотренных методов моделирования. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 09.04.01 
«Информатика и вычислительная техника», 09.04.04 «Программная инженерия», 27.04.04 «Управление в технических системах». 
УДК 681.324:519.8:004.421 
ББК 32.97 
ISBN 978-5-9729-1175-2 
© Тарасов В. Н., Бахарева Н. Ф., 2023
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Оглавление 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
1. ИЗВЕСТНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И 
МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ............................................ 7 
1.1. Краткий обзор известных программных систем 
............................................... 7 
1.2. Программные системы Opnet Modeler и Riverbed Modeler 
............................ 11 
1.3. Технология IT GURU 
......................................................................................... 13 
1.4. Проектирование небольших объединенных сетей ......................................... 17 
2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 
СЕТЕЙ ........................................................................................................................ 36 
2.1. Система, модели, моделирование 
..................................................................... 36 
2.2. Вероятностно-временные характеристики передачи на базе непрерывных 
марковских моделей 
.................................................................................................. 39 
2.2.1. Классификация и структура систем массового обслуживания .................. 41 
2.2.2. Основные принятые обозначения 
.................................................................. 43 
2.2.3. Общие результаты для всех видов СМО ...................................................... 47 
2.3. Системы с пуассоновским входным потоком ................................................. 49 
2.3.1. Система М/М/1 ................................................................................................ 50 
2.3.2. Система М/М/m ............................................................................................... 54 
2.3.3. Система M/G/1 ................................................................................................. 57 
2.4. Система G/G/1 
..................................................................................................... 57 
3. СПЕКТРАЛЬНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ РЕШЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО 
УРАВНЕНИЯ ЛИНДЛИ 
........................................................................................... 59 
3.1. Метод спектрального разложения для системы M/M/1 ................................. 59 
3.2. Метод спектрального разложения для системы E2/E2/1 
................................. 63 
3.3. Метод спектрального разложения для системы H2/H2/1 
................................ 65 
3.4. Математическая модель марковской сети очередей. Уравнения баланса 
потоков ....................................................................................................................... 72 
3.5. Практическое применение сетей массового обслуживания .......................... 77 
3.5.1. Определение задержки источник-адресат .................................................... 77 
3.5.2. Определение загрузки каналов и других устройств .................................... 80 
4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ. ДИСКРЕТНОСОБЫТИЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ .................................................................... 83 
4.1. Моделирование системы массового обслуживания с одним устройством. 
Критерии качества работы системы 
........................................................................ 83 
4.2. Компьютерное представление состояния системы ........................................ 90 
4.3. Организация и логика программы 
.................................................................. 101 
5. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ 
СЕТИ 
......................................................................................................................... 109 
5.1. Принципы топологического проектирования сетей 
..................................... 109 
5.2. Описание задачи синтеза топологии сети ..................................................... 113 
5.3. Комбинаторный алгоритм топологической оптимизации сети передачи 
информации ............................................................................................................. 114 
5.4. Оптимизация топологической структуры по критериям стоимости и 
надежности 
............................................................................................................... 116 
3 

5.5. Общая задача топологического синтеза компьютерной сети 
...................... 120 
6. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ .................................................................... 123 
6.1. Проектирование и моделирование сети кафедры ВУЗа 
............................... 123 
6.2. Проектирование и моделирование ЛВС многоэтажного здания ................ 137 
6.3. Проектирование и оптимизация сети 
............................................................. 146 
6.4. Лабораторная работа № 4. Внедрение и использование коммутированных 
ЛВС ........................................................................................................................... 156 
6.5. Применение межсетевого экрана для управления трафиком 
вычислительной сети .............................................................................................. 166 
6.6. Проектирование беспроводных сетей и управление доступом к среде 
передачи ................................................................................................................... 180 
6.7. Моделирование протокола контроля передачи TCP .................................... 194 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 207 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие написано в соответствии с требованиями, предъявляемыми к подготовке магистров по направлениям «Информатика и вычислительная техника», «Программная инженерия» и «Управление в технических системах». 
В первой части пособия изложены основные сведения по известным программным продуктам для проектирования и моделирования вычислительных сетей, о моделях и моделировании систем, в том числе об аналитическом моделировании на основе теории массового обслуживания и об имитационном дискретно-событийном моделировании. Подробно изложены вероятностно-временные характеристики передачи на базе непрерывных марковских моделей и математические модели марковской сети очередей на основе сетей массового обслуживания с кратким описанием истории возникновения предметной области. 
В пособии также изложены принципы топологического проектирования сетей и алгоритм топологической оптимизации сети передачи информации. 
Во второй части пособия представлен лабораторный практикум, включающий вопросы построения имитационных моделей вычислительных сетей различной конфигурации и их моделирования на основе выбора глобальных статистик 
как показателей производительности сетей. Лабораторный практикум базируется на программных системах дискретно-событийного моделирования OPNET 
Modeler и RIVERBED Modeler IT GURU Academic Edition с качественным графическим редактором. 
В учебное пособие авторы включили кроме своих результатов в данной обрасти наиболее интересные результаты монографии В. М. Вишневского «Теоретические основы проектирования компьютерных сетей».  
Пособие дает обучающимся знания из предметной области, знакомит с общими принципами и методами построения моделей в области как вычислительных сетей, так и сетей передачи данных в общем.  
Излагаемый материал базируется на компетенциях, приобретенных студентами в результате изучения дисциплин: «Математика», «Теория вероятностей и 
математическая статистика», «Проектирование и моделирование компьютерных 
сетей». 
Моделирование - одна из основных категорий теории познания. На идее моделирования, по существу, базируется любой метод научного исследования, как 
теоретический, так и экспериментальный.  
5 

Можно отметить и такой существенный фактор, способствующий значительному повышению интереса к методам моделирования как в науке и технике, 
так в других областях, как развитие и широкое распространение средств вычислительной техники и программного обеспечения. С помощью моделей, реализованных на компьютере, можно изучать новые явления, решать практически все 
задачи анализа и проектирования сложных систем, осуществлять выбор наилучших вариантов решений, выполнять анализ и прогнозирование поведения компьютерных сетей и решать множество других задач. Этому посвящена вторая 
часть учебного пособия, ориентированная на среду OPNET Modeler и 
RIVERBED Modeler IT GURU Academic Edition. 
 
 
6 

1. ИЗВЕСТНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 
 
1.1. Краткий обзор известных программных систем 
 
Для моделирования сетей передачи данных существует множество разнообразных решений от ведущих производителей, таких как Cisco Systems, Comnet, 
Omnet, Comdisco, D-Link, CACI Products, HP, IBM, IT GURU, MathSoft и многих 
других. Основные из них приведены в таблице 1.1. 
Все эти продукты используют методы имитационного моделирования для определения показателей производительности сетей. Некоторые продукты (IT GURU 
Opnet Modeler, Riverbed Modeler, Comnet, Netmaker и др.) имеют в своих базах полное описание реальных аппаратных средств, таких как маршрутизаторы, коммутаторы, серверы и рабочие станции. Кроме того, эти продукты позволяют учитывать 
огромное количество нюансов, как задержки среды передачи данных, типы приложений сети, динамическая маршрутизация, брандмауэр и т. д.  
Точность измерений характеристик сети подтверждается признанием этих 
продуктов ведущими мировыми производителями аппаратно-программных сетевых средств, например, Cisco systems, HP, 3Com, D-link. Cisco systems вообще 
рекомендует всем проектировщикам использовать продукты IT GURU Opnet 
Modeler, Riverbed Modeler для первоначального сбора и проверки полнофункциональной распределенной мультисервисной сети. D-link использует при создании типовых проектов систему Comnet, HP использует Comnet и Netmaker. 
Самые известные пакеты моделирования COMMNET, Opnet Modeler, 
Riverbed Modeler позволяют выбрать для модели реальное оборудование из достаточно обширной базы ресурсов, которую специалисты компании собирали 
много лет. Точность моделирования такого оборудования достаточно высока, 
особенно если учесть, что можно задавать в параметрах практически все свойства аппаратного и программного обеспечения, вплоть до объема памяти и протоколов маршрутизации. 
 
 
 
 
 
7 

Т а б л и ц а  1.1 
Основные решения для моделирования сетей 
Компания 
и продукт 
Стоимость 
Примечания 
1 
2 
3 
CACI Product, 
COMNET III 
34500-39500
Моделирует сети X.25, ATM, Frame Relay, связи 
LAN-WAN, SNA, DECnet, протоколы OSPF, RIP. 
Доступ CSMA/CD и токенный доступ, FDDI и др. 
Встроенная библиотека маршрутизаторов 3COM, 
Cisco, DEC, HP, Wellfleat 
Make System, 
NetMaker XA 
6995-14995 
Проверка данных о топологии сети; импорт 
информации о трафике, получаемой в реальном 
времени 
NetMagic 
System,StressMagik 
2995 
Поддержка стандартных тестов измерения 
производительности; имитация пиковой нагрузки на 
файл-сервер 
Network Design and 
Analysis Group, 
AutoNet/ Designer 
25000 
Определение оптимального расположения 
концентратора в ГС, возможность оценки экономии 
средств за счет снижения тарифной платы, смены 
поставщика услуг и обновления оборудования; 
сравнение вариантов связи через ближайшую 
и оптимальную точку доступа, а также через мост 
и местную телефонную сеть 
4000 
Network Design and 
Analysis Group, 
AutoNet/ 
Performance-1 
Моделирование производительности иерархических 
сетей путем анализа чувствительности 
к длительности задержки, времени ответа, 
а также узких мест в структуре сети 
6000 
Network Design and 
Analysis Group, 
AutoNet/ 
Performance-3 
Моделирование производительности 
многопротокольных объединений локальных 
и глобальных сетей; оценивание задержек в очередях, 
прогнозирование времени ответа, а также узких мест 
в структуре сети; учет реальных данных о трафике, 
поступающих от сетевых анализаторов
System	 Networks, 
BONES 
20000-40000
Анализ воздействия приложений клиент-сервер 
и новых технологий на работу сети 
MIL3 
16000-40000
Имеет библиотеку различных сетевых устройств, 
поддерживает анимацию, генерирует карту сети, 
моделирует полосу пропускания 
Cisco Systems, 
Cisco WAN 
modeling tool 
3000 
Моделирует глобальные сети и каналы связи, имеет 
жесткую привязку к оборудованию Cisco, 
для которого дает очень точные результаты. Умеет 
автоматически генерировать схему сети
10000-60000
Чрезвычайно мощное решение для моделирования 
всех этапов проектирование и создания сети, включая 
пилотные сети и стресс-тестирование 
Cisco Systems, 
Cisco Network 
Application 
Performance 
Analysis (NAPA) 
8 

О к о н ч а н и е  т а б л и ц ы  1.1 
Компания 
и продукт 
Стоимость 
Примечания 
1 
2 
3 
GPSS/World 
3000-6000 
Программа дискретно-событийного моделирования 
без графического редактора. Предоставляет 
бесплатную студенческую версию 
MathWorks, 
Mathlab/Simulink 
3500-7000 
Комплексное решение для моделирования систем 
массового обслуживания. Мощная, но очень сложная 
в использовании система 
VisSim 
100-3000 
ПО для симуляции движения линейных, нелинейных, непрерывных, дискретных, гибридных моделей
систем
SES/Workbench 
От 500 
Моделирование локальных и глобальных сетей на 
уровне приложений, канальном и физическом 
уровнях
Модульная среда имитационного моделирования 
с поддержкой огромной базы готовых моделей 
OMNeT/OMNEST 
Бесплатная 
академическая 
версия 
Среда имитационного моделирования с поддержкой 
огромной базы готовых моделей 
IT GURU Opnet 
Modeler, Riverbed 
Modeler 
Бесплатная 
академическая 
версия 
NetWizard 
Бесплатный 
онлайновый 
сервис 
Предоставляет возможность проектирования 
компьютерной сети через Интернет, а также 
возможность ее оптимизации. Пользователь 
на выходе получает структурную схему сети 
и сметную стоимость активного и пассивного 
оборудования сети 
 
Рассмотрим подробнее некоторые системы.  
Программная система COMNET 
Семейство COMNET включает следующие системы:  
1) COMNET III - система стохастического дискретного событийного моделирования систем массового обслуживания. Позволяет детально моделировать 
сети как СМО, построенные с использованием всех известных технологий и протоколов: АТМ, Frame Relay, FDDI, TCP/IP, клиент-сервер и т. д. Результатами 
моделирования являются оценки производительности различных вариантов построения исследуемой локальной или глобальной сети, учитывая при этом стоимостные характеристики; 
2) ADVANCED FEATURES PACK - данный пакет предоставляет дополнительные возможности пакету COMNET III для точного моделирования распределенного программного обеспечения клиент-серверных архитектур; 
9 

3) COMNET Predictor - система быстрого временного анализа. Предоставляет возможность быстро оценить производительность локальных и глобальных 
сетей. На основе импортированных данных по топологии, протоколам и трафику 
пользователю предоставляется возможность изменить такие параметры, как топология, трафик, состав оборудования, полоса пропускания, протоколы и быстро 
получить результат в виде отчетных графических форм; 
4) COMNET Baseliner - система импорта данных. Предназначен для импорта данных о топологии и протоколам из установленных у пользователя систем управления и мониторинга сетей с целью создания базовых моделей для 
пакетов COMNET III и COMNET Predictor; 
5) COMNET Enterprise Profiler - система мониторинга сети. Позволяет производить мониторинг и сбор статистики в сети без возможности администрирования. Может интегрироваться с другими системами мониторинга и управления; 
6) NETWORK II.5 - автономный пакет для анализа производительности используемых компьютерных систем. Позволяет проводить моделирование компьютерной архитектуры любого типа. 
Главное окно системы COMNET показано на рисунке 1.1. 
 
 
 
Рис. 1.1 – Главное окно системы COMNET 
10